基于MCGS組態軟件的煤礦電網能耗監控系統

崔仁杰

(霍州煤電集團有限責任公司 辛置煤礦， 山西 霍州 031400)

煤炭生產過程復雜，生產工序多，隨著煤礦自動化、信息化程度的不斷提高，用電設備增多、耗電量大，其電耗成本占原煤生產總成本的35%以上，是礦井的主要耗能因素之一[1-2]. 目前，辛置煤礦對現運行設備電能數據未采集，無法有效分析設備運行狀態，無法提前識別故障問題，導致礦井存在一定的安全隱患。同時，無法監控設備的非正常用電，導致出現電能浪費嚴重的狀況。為解決以上問題，亟需設計一款能監測與控制煤礦電網能耗的系統。

1 能耗監控系統的組成

礦山智能電網能耗監控系統，是基于MCGS組態軟件設計開發的。該系統通過設備電度表實時監控井下各設備的用電情況，將數據通過光纖發送至主機，通過曲線顯示，直觀地分析電量的變化情況。當數據發生較大波動時，系統會自動預警，并在相應位置做出緊急處理，旨在全方位實現礦井電能監測，有效避免電能浪費，同時電能發生波動時，系統預警，降低礦井的安全隱患，提高礦井的自動化水平，增加礦井的效益[3-4].

監測系統主要由兩部分組成，上位機監測系統以及通信基站，總體設計圖見圖1. 通過各設備安裝的智能電表對用電數據進行采集，通過光纖收發器，發送至交換機，隨后將信息快速準確上傳至監測與通訊分站以及監控主機，主機將數據以報表的形式分享至其他系統，將其作為礦井成本控制的一項重要依據。

1.1 上位機監測系統

在能耗監測與控制系統中上位機監測系統作為整個系統的“大腦組織”，通過監控主機、其他辦公計算機以及打印機將數據進行收集處理，統一顯示在計算機上。由于監控主機安裝有MCGS通用版軟件，因此當數據傳輸至監控主機時，主機會將異常數據進行標注，并報警提醒。上位監測系統結構組成示意圖見圖2，該系統除了可以將井下各設備的用電情況以及節能裝置運行情況實時數據顯示外，還有查詢歷史數據的功能，當數據出現異常時，系統在報警的同時，會將異常數據匯總，發送至該項數據管理工程師手中，協助他們第一時間進行故障定位排除。

1.2 井下能耗監測與通信基站

在整個控制系統中，光纖作為系統的“血管”，執行信息傳遞的任務，而通信基站則是作為系統的“心臟”，實現井下用電設備與節能裝置的相互通信、實時參數信息的收集處理、井上井下信息交互的功能。基站主要由光纖收發器、觸摸屏、通訊服務器、內部交換機和PLC組成[5].通信基站通信結構見圖3.

圖1 系統的總體設計圖

圖2 上位監測系統結構圖

圖3 通信基站通信結構圖

2 系統通信設計

為了實現兩臺設備間的通信聯系，需要建立設備通信協議，即只有兩臺設備建立以及遵循設定的通信協議，其之間才可以進行通話。而在不同設備之間，通信協議多樣，每種協議均有自己的通信范圍。因此，為了實現設備的信息互通，需要采用符合當下的通信協議以及通信規范。

2.1 多功能電表通信設計

辛置礦現使用的電表多為多功能電表，其通信協議尚未采用標準協議，目前采用的是自身協議，只可以與帶有RS-485接口的設備實現信息互通。而在MCGS軟件中需要根據現有的通信接口，開發一款適合電表的通信驅動。利用腳本開發MCGS設備通信驅動的工作原理見圖4. 驅動開發結束后，電表可以與系統實現通訊，執行電表電量的信息采集。

設備通信驅動的開發是作為電表信息互通的關鍵一步，在基礎的MCGS軟件中用于腳本驅動開發的方式一般有兩種，該設計選擇非向導流的開發方式進行電表通信協議驅動設計。在開發之前第一步應該選擇正確的腳本驅動的配置屬性以及相對應的設備通道，配置結束后，利用所對應的接口函數進行驅動程序的編寫，編寫結束后將編寫的驅動添加到驅動列表中，即可正常使用。

圖4 工作原理圖

2.2 井上井下通信設計

通過開發腳本將電表通信并入系統，將電表采集的電能信息通過光纖首先到達通信基站。為了實現井上信息互通必須建立井上監控與通信基站之間的數據傳輸。目前井上監控主機與井下監測通信基站之間的數據傳輸是通過TCP/IP協議實現的。通信基站中安裝有嵌入版MCGS組態軟件的觸摸屏，屏幕通過與電表的通信接口互聯，通過智能電表采集設備的電量后，經過以太網將數據上傳至監控主機，從而實現井上主機對井下用電的實時監測。通過MCGS軟件環境的設備參數窗口可以選擇通用協議的TCP/IP父設備與Modbus TCP/IP的子設備，通過設置父/子設備的參數信息，便可以實現TCP/IP通信設計。在進行通用TCP/IP設備屬性配置后，應重點核對相關的本地以及遠程的IP地址以及端口號，當編寫子設備屬性時，提前命名相關的連接變量與通道名稱，防止書寫錯誤而導致的系統報錯。

3 系統組態設計

能耗監控系統在完成通信設計后，還需要對系統的井下通信即觸摸屏的嵌入版以及井上監控主機通用版的MCGS軟件進行組態設計，才能基于MCGS軟件真正實現各設備的監測與控制。

3.1 通用版MCGS組態軟件介紹

MCGS軟件運行分為組態環境、運行環境兩種。其中組態環境指的是參數設置、設備匯總、數據庫生成等搭建基礎工作；而運行環境指軟件的主界面，在主界面中可以通過數據直觀地了解軟件正常運行的基礎條件，從而實現整個組態軟件的運行規劃。MCGS軟件運行流程見圖5.

圖5 MCGS軟件運行流程圖

3.2 嵌入版MCGS觸摸屏組態設計

嵌入版MCGS結構圖見圖6，該版本較通用版支持可視化，具有硬件適應性強、處理速度快以及異常數據預警等功能。由于嵌入版的功能眾多，觸摸屏組態軟件選擇將其作為基礎環境進行搭建，使觸摸屏實現數據讀取、采集、處理以及上傳等功能。

1) 窗口設計。

在觸摸屏的眾多窗口中，用戶窗口對于美觀實用性要求最高，而對于數據庫設計則考驗的是系統的性能以及傳輸的響應。在電網能耗監控系統中，用戶窗口主要分為兩種，包括井下用電設備參數檢測窗口以及節能裝置運轉監測。設備用電參數檢測窗口即通過實時的電表檢測，將電能曲線上傳至觸摸屏中，幫助實時監測設備的用電狀況以及電能的波動情況。

圖6 嵌入版MCG組態軟件的結構圖

節能裝置的運轉檢測窗口即實時顯示電路中的主回路電壓、控制電壓、補償電流、補償容量、功率因數以及溫度等參數，通過參數實時顯示反映出節能裝置的運行情況。節能裝置的窗口界面見圖7.

圖7 節能裝置運轉監測圖

2) 數據庫設計。

瞬時響應作為數據庫設計的第一要求，在數據庫中首先對各個變量進行基礎屬性設置，其次添加各變量的上下限值，最后設置報警模式，一旦采集數據超出上下范圍，系統立即預警發出警報。

4 系統效益

煤礦電網能耗監控系統對煤礦安全運行有重要作用，與節能系統相結合能夠為煤礦創造一定的經濟與社會效益。為了測試系統，將10#煤層的4-2工作面作為試點進行小范圍使用。通過運行，系統的故障率較低，能夠穩定運行，當設備出現異常時，電能數據曲線波動異常，系統報警，設備急停，基本達到設計初期對于故障定位的目的，同時通過數月的試點運行，系統達到了設計初期節約月耗電3%以上的預期目標。經預測，系統在該礦進行推廣，可實現的煤礦機電系統電能消耗降低幅度為5%～8%，預計運行一年將會節約250～400萬元的電費，能夠較大程度上提高礦井經濟效益。

5 結 語

以MCGS組態軟件為基礎，開發了一款礦井電網能耗監控系統，該系統分為上位機監測系統與井下能耗監測與通信基站，通過安裝通用版以及嵌入版的組態軟件，實現了井下設備用電情況實時顯示、數據收集處理以及異常預警功能。該系統應用于煤礦企業中，能夠配合現有的節能設備以及設備運行監測系統，進一步提高礦井對設備的監控力度，有效降低能耗，提高煤礦的經濟效益。